2-蛋白質結構與功能(護本藥學)

1、谷胱甘肽(glutathione, GSH),谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,第二節(jié) 蛋白質的分子結構The Molecular Structure of Protein,一級結構(primary structure)二級結構(secondary structure)三級結構(tertiary structure)四級結構(quaternary structure),,高級結構（空間構象）,

2、conformation,5,蛋白質分子的一級結構（primary）,牛胰島素一級結構：A鏈（21AA)、B鏈（30AA),H2N-甘-異-纈-谷-谷胺-半-半-丙-絲-纈-半-絲-亮-酪-谷胺-亮-谷-天胺-酪-半-天胺-COOH,H2N-苯-纈-天胺-谷胺-絲-亮-半- 甘 - 絲 - 組 - 亮 - 纈 - 谷 -丙 -亮-酪-亮-纈-半-甘-谷

3、 -精-甘-苯-苯-酪-蘇-脯-賴-蘇-COOH,,,S,S,,,,A,B,蛋白質的一級結構是空間結構的基礎，對其生物學功能起決定作用。,蛋白質分子中氨基酸殘基的排列順序。主要化學鍵為肽鍵，有些含二硫鍵。,Frederick Sanger,7,蛋白質分子的二級結構 (secondary),——多肽鏈骨架中原子的局部空間排列，不涉及側鏈的構象,多肽鏈骨架：由C?、羧基C和氨基N依次重復排列,多肽鏈的局部主鏈構象,8,二級結構

4、的結構基礎 ——肽單元（peptide unit）,0.132,肽鍵中的四個原子（-CO-NH-）和與之相鄰的兩個α碳原子（C?1、 C?2）位于同一剛性平面內，稱為肽單元。,,,,,,,10,?螺旋 (? helix) ?折疊 (? sheet) ?轉角 (? turn) 無規(guī)卷曲 (random coil),蛋白質二級結構的主要形式,11,（1）多肽鏈主鏈圍繞中心軸螺旋式上升， 3.6個氨基酸殘基/圈，螺距

5、為0.54nm。（2）第1個肽單元羰基上的氧與第4個肽單元亞氨基上的氫形成氫鍵，方向與螺旋長軸平行。（3）通常為右手螺旋。,?螺旋 （?? Helix ）,特點,,13,13,鐵蛋白（ferritin）,跨膜蛋白,α螺旋分布廣泛,14,2.β折疊(β sheet),1）鋸齒狀, Cα為轉折點,3）兩條或者更多的β折疊鏈間通過氫鍵相連,4） 不同鏈方向可以一致，可以相反,2）R基團位于鋸齒結構上、下方,Side view,,反平行,平

6、行,蠶絲蛋白,卵磷脂結合蛋白,17,3.? 轉角 (? turn),2) 一般由四個氨基酸殘基組成，第2或第3個殘基常為脯氨酸、甘氨酸3) 以主鏈間氫鍵維持穩(wěn)定（第1個殘基的羰基氧和第4個殘基的氨基氫）,1) 多肽鏈中180度回折處形成的特定構象,17,? 轉角是α螺旋-α螺旋、β折疊-β折疊，或α螺旋-β折疊之間的連接。,沒有確定規(guī)律性的肽鏈結構，柔性強的一類二級結構,無規(guī)卷曲 (random coil),20,四種二級結構可存在同

7、一個蛋白質中,21,在許多蛋白質分子中，可發(fā)現(xiàn)2個或2個以上具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個規(guī)則的二級結構組合，稱為超二級結構或模體（motif）。,超二級結構,(supersecondary structure),αα,βαβ,ββ,Motifs,蛋白質分子的三級結構 (tertiary),整條肽鏈中所有氨基酸殘基的相對空間位置，即一條多肽鏈中所有原子的整體空間排布，包括主鏈和側鏈。,23,Tertiary struc

8、ture of sperm whale（抹香鯨）myoglobin,24,蛋白質三級結構的特點,1、進一步盤曲、折疊的多肽鏈分子長度大大縮短， 呈棒 狀、纖維狀或球狀；2、三級結構的穩(wěn)定性主要靠次級鍵維持，尤其是疏水鍵；3、側鏈基團中的疏水基團多位于分子內部，親水基團多位 于分子表面；4、有功能區(qū)的形成（分子表面或某些局部區(qū)域）。,只有一條肽鏈組成的蛋白質，三級結構是其最高的結構形式。,維持蛋白質分子構象

9、的主要化學鍵,疏水作用,26,27,結構域（domain）,多肽鏈的一部分，結構穩(wěn)定，并具有獨立功能。,,,Structural domains in the polypeptide troponin C,（肌鈣蛋白）,28,有的蛋白質分子包含多條肽鏈，它們彼此通過次級鍵相連，形成一定的空間結構，稱為四級結構。,具有獨立三級結構的多肽鏈單位，稱為亞基 (subunit).,蛋白質分子的四級結構（quarternary）,血紅蛋白四聚體,

10、蛋白質的分類,1、按組成分類：單純蛋白、結合蛋白 單純蛋白：只有氨基酸組分 結合蛋白：氨基酸組分＋其他組分（輔基）2、按形狀分類：纖維狀蛋白、球狀蛋白 纖維狀蛋白：常為結構蛋白 球狀蛋白：常為功能蛋白,29,S,蛋白質結構與功能的關系The Relation of Structure and Function of Protein,第三節(jié),32,一級結構是高級結構以及生物學功能的基礎,一級結構與功能的關系,,33,尿素或

11、β-巰基乙醇,去除尿素或β-巰基乙醇,天然構象，有催化活性,非天然構象，無催化活性,Normal Hemoglobin,Sickle Hemoglobin,鐮刀形紅細胞貧血,Sickle cell anemia,35,分子?。╩olecular disease）：由于基因突變引起蛋白質分子發(fā)生變異所導致的疾病。,36,某些脊椎動物胰島素一級結構部分氨基酸殘基差異,,37,空間結構體現(xiàn)生物活性；結構相似，功能相似,空間結構與功能

12、的關系,Myoglobin,Hemoglobin,肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線,39,deoxy hemoglobin (T),oxy hemoglobin (R),Hb與O2 結合導致空間構象變化,Tense state,Relaxed state,40,血紅素Fe2+與O2結合后，進入血紅素平面，拉動組氨酸殘基，從而拉動F helix，最終改變分子構象——別構效應,(allosteric effect),41,協(xié)

13、同效應(cooperativity)：含多個亞基的蛋白質，其中一個亞基與配體結合后，能影響其他亞基與配體的結合能力。,別構效應(allosteric effect)：蛋白質分子的特定部位與小分子化合物結合后，蛋白質的空間構象發(fā)生改變，從而使其生物學活性發(fā)生變化。,正協(xié)同效應(positive cooperativity)： 促進作用負協(xié)同效應(negative cooperativity)：

14、 抑制作用,42,蛋白質構象改變引起的疾病,老年癡呆 (Alzheimer’s disease) 瘋牛病 [Mad cow disease, or bovine spongiform encephalopathy or (BSE)] 亨汀頓舞蹈病 (Huntington’s disease),蛋白質相互聚集，淀粉樣纖維沉淀,PrPc,PrPSc,瘋牛病發(fā)生機制,B. Prusiner "for his disc

15、overy of Prions - a new biological principle of infection".,朊蛋白（prion protein, PrP）,朊蛋白致病機理,S,第四節(jié),蛋白質的理化性質,The Physical and Chemical Characters of Protein,46,一、蛋白質的兩性解離（amphoteric）,在一定的pH條件下，蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘

16、基側鏈中的某些基團，可解離成帶負電荷或正電荷的基團。,蛋白質的等電點( isoelectric point, pI) 當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為pI。,47,蛋白質分子含有酪氨酸和色氨酸殘基（共軛雙鍵），在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質的OD280與其濃度呈正比關系，因此可作蛋白質定量測定。,二、蛋白質的紫外吸收,（ultraviolet abso

17、rption）,48,（1）茚三酮反應(ninhydrin reaction) 蛋白質水解后產生的氨基酸可發(fā)生茚三酮反應。,（2）雙縮脲反應(biuret reaction) 蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸銅共 熱，呈現(xiàn)紫色或紅色，此反應稱為雙縮脲反應，雙 縮脲反應可用來蛋白質定量。,三、蛋白質的呈色反應,肽鍵類似于雙縮脲結構,蛋白質膠體的穩(wěn)定因素1. 顆粒表面電荷；2.

18、 水化膜,四、蛋白質的膠體性質,50,變性（denaturation）：在某些理化因素作用下，蛋白質的空間構象破壞，導致其理化性質和生物學性質的改變。,五、蛋白質變性,Heat,,變性因素：1）物理因素：高溫、高壓、射線等2）化學因素：強酸、強堿、重金屬鹽等,變性后的表現(xiàn)：1）生物學活性喪失2）理化性質改變：黏度增加，溶解度降低、 易被蛋白酶水解、結晶能力消失。,復性（renaturation）：蛋白質變性程度較輕時，將變

19、性因素去除后，有些蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性。,應用①利用變性：酒精消毒，高壓滅菌，血濾液制備②防止變性：低溫保存生物制品（疫苗、抗體）③取代變性：乳品解毒(用于急救重金屬中毒),S,第五節(jié),蛋白質的分離與純化,The Separation and Purification of Protein,54,一、透析和超濾 （根據分子量）,透析 (dialysis)利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物

20、分開的方法。,超濾 (ultrafiltration)應用正壓或離心力使蛋白質溶液透過超濾膜，小分子濾出，大分子留在膜內。,54,55,二、沉淀(precipitation),丙酮、乙醇等有機溶劑，可破壞蛋白質的水化膜，在0～4℃低溫下，使蛋白質沉淀。環(huán)境溫度高時，有機溶劑可促使蛋白質變性。,酒精消毒是使蛋白質變性還是沉淀？,鹽析(salt precipitation)：將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，使蛋白質表面電荷被中和

21、以及水化膜被破壞，導致蛋白質沉淀。,56,蛋白質在高于或低于其pI的溶液中為帶電的顆粒，在電場中能向正極或負極移動。這種通過蛋白質在電場中泳動而達到分離各種蛋白質的技術, 稱為電泳。,三、電泳 (electrophoresis),57,四、層析（chromatography）,例如：凝膠過濾（gel filtration，分子篩）： 根據蛋白質分子大小不同來分離,58,五、超速離心（ultracentrifuga

22、tion）,根據蛋白質的分子量與形狀分離,蛋白質在離心場中的行為用沉降系數(sedimentation coefficient, S) 表示，沉降系數的大小與蛋白質的密度和形狀相關，大體上和分子量成正比關系。,超速離心,本章重點1、重要名詞：isoelectric point；motif；domain; subunit； allosteric effect; protein denaturation; molecula

23、r disease2、結構層次 元素組成：C、H、O、N（16%）、S 結構單位：20種L-α氨基酸（芳香族、含硫、酸性、堿性氨基酸等） 一級結構：肽鍵；多肽鏈；N端?C端 二級結構：穩(wěn)定力（氫鍵）；類型（?螺旋，?折疊，?轉角，無規(guī)卷曲） 三級結構特點 四級結構特點3、結構與功能關系（舉例）4、重要性質：兩性解離；紫外吸收；沉淀；變性5、分離純化：透析、超濾；沉淀；電泳；層析；超速離心,61,1. 具有四級結構

24、的蛋白質分子，在分析其一級結構時發(fā)現(xiàn) 只有1個N端和1個C端 　 具有1個N端和多個C端 具有多個N端和1個C端 　 具有多個N端和多個C端 有磷酸二酯鍵存在,答案：D考點：蛋白質的各級結構；多肽鏈的方向性； 蛋白質一級結構主要化學鍵,測一測,62,2. 有一蛋白質混合溶液,各種蛋白質的pI 分別為4.6、5.0、5.3、6.7、7.3。電泳時欲使其中4種泳向正極, 緩沖液的pH 應該

25、是 A. 5.0 B. 4.6 C. 6.7 D. 7.0 E. 8.0,答案：D考點：等電點的概念；電泳原理,測一測,63,3. 將下列蛋白質混合樣品進行凝膠過濾，最先被洗脫的是 牛胰島素 (分子量5 700) 肌紅蛋白 (分子量16 900)C. 牛?-乳球蛋白 (分子量35 000) D. 血清清蛋白 (分子